Abhängigkeit des Quick Starts vom Startwinkel

Auf einen Sonderfall soll an dieser Stelle eingegangen werden: Es ist theore-tisch möglich, dass der VM in einer Position steht, bei der sich der detektierte Zylinder so dicht vor dem ZOT befindet, dass bei einer Einspritzung in diesen Zylinder der Kolbenboden benetzt würde. Dies ist unbedingt zu vermeiden, da dieser Kraftstoff nicht an der Verbrennung teilnähme und somit den Verbrauch und die Emissionen erhöhen würde. In diesem Fall sollte die erste Verbrennung unabhängig von anderen Kriterien erst in den beim Stillstand im Ansaugtakt befindlichen Zylinder erfolgen. Aus den Berechnungen und Versuchen zum Motorauslauf, die in Kapitel 5.2 und 5.4 gezeigt werden, geht hervor, dass sich eine solche Stellung in der Praxis nicht ohne externen Einfluss ergibt, weshalb die Betrachtung dieser Ausnahme vernachlässigt werden kann.

Wird von diesem Sonderfall abgesehen, muss neben der grundsätzlichen Defi-nition von Fast und Slow Quick Start noch unterschieden werden, ob der Star-ter den Hochlauf beim FQS nur in der ersten oder auch in der zweiten Kom-pression unterstützt. Zum einen kann letzteres erforderlich sein, um ein Ab-würgen zu verhindern. Dies ist der Fall, wenn die Energiefreisetzung aus der ersten Verbrennung nicht ausreicht um den Kompressionstakt des in der Zünd-reihenfolge nächsten Zylinders zu vollenden. Den Starter auch während der zweiten Kompression noch eingespurt zu lassen, kann zum anderen aber auch aus Gründen der Startdauer erfolgen. Diese zusätzliche Fallunterscheidung wird in Kapitel 5.3 aufgegriffen und diskutiert.

5.2 Abhängigkeit des Quick Starts vom Startwinkel

Wie im vorstehenden Abschnitt beschrieben, ist ein wichtiges Unterschei-dungsmerkmal des Quick Starts, ob die freigesetzte Energie aus der ersten Verbrennung ausreicht, den folgenden Kompressionstakt (Kompression plus Motorreibung) abzuschließen. Die nachstehende Bestimmung dieser mindest notwendigen Energie wird in die Berechnung eines Startwinkels überführt, der die erforderliche Frischluftmasse bereitstellt.

Die freigesetzte mechanische Energie des ersten Arbeitsspiels, dessen Ver-dichtung vollständig vom Starter durchgeführt wurde, berechnet sich aus

∫

=

ZUT

ZOT nnung

Erstverbre pdV

W _{( 5-1 )}

UNTERSUCHUNGEN ZUM QUICK START

5.2ABHÄNGIGKEIT DES QUICK STARTS VOM STARTWINKEL 69 Diese Energie W_{Erstverbrennung} entspricht der blau schraffierten Fläche im pV-Diagramm schematisch dargestellt in der Abbildung 5-4.

Parallel zur Expansion durch die 1. Verbrennung verrichtet der in der Zündrei-henfolge nächste Zylinder Kompressionsarbeit. Diese ist in Abbildung 5-4 rot schraffiert zu sehen. Der Energiebedarf W_Kompression für diese Kompression vor der 2. Verbrennung wurde in zahlreichen Messungen untersucht und beträgt:

Um die minimal freizusetzende Energie W_{Erstverbr,min} aus der ersten Verbrennung berechnen zu können, müssen zu diesem Wert die Reibverluste während dieser initialen Startperiode bei sehr langsamer Winkelgeschwindigkeit addiert wer-den. Aus den Ergebnissen von Kapitel 4.1.3 ergibt sich ein Reibmoment von 10,5 Nm für Drehzahlen kleiner 250 U/min. Daraus ergeben sich Reibverluste von 22 J für zwei Hübe. Deshalb muss die aus der ersten Verbrennung freige-setzte Energie mindestens

betragen.

0 20 40 60 80

0 100 200 300 400 500 600

Zylindervolumen [cm³]

Zylinderdruck [bar]

1. Verbrennung 2. Verbrennung

OT UT

W_Verbrennung

W_Kompression

Abbildung 5-4: pV-Diagramm

∫

⁼

=

ZOT

LUT

J 127 pdV

W_Kompression . ( 5-2 )

J

=149 +

= _{Kompression Reibung}

min

Erstverbr, W W

W ( 5-3 )

UNTERSUCHUNGEN ZUM QUICK START

70 5.2ABHÄNGIGKEIT DES QUICK STARTS VOM STARTWINKEL

Nach Pischinger [Pis02] und Basshuysen [Bas02] können die Abgasenthalpie und die Wärmeverluste mit etwa 40% der eingebrachten Energie abgeschätzt werden. Dieser Wert konnte durch mehrere Startmessungen mit einen thermi-schen Wirkungsgrad von

bestätigt werden. Dabei wird mit der kumulierten Wärmefreisetzung aus dem indizierten Zylinderdruck gerechnet. Damit ergibt sich die minimal bei der 1. Verbrennung freizusetzende Wärmemenge zu

Aufgrund der schlechten Gemischaufbereitung der 1. Verbrennung nimmt nur ein Teil der Luftmasse tatsächlich an der Verbrennung teil. Das liegt zum einen an dem hohen Restgasanteil aus dem vorhergehenden Motorlauf und zum an-deren an der geringen Ladungsbewegung. Dieser Mischungsgrad η_Mischung, der auch die Leckage von Gasmasse aus dem Zylinder berücksichtigt, wurde in mehreren Versuchen zu etwa 50% bestimmt. Damit lässt sich unter der An-nahme eines stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnisses die benötigte Luftmasse im Startzylinder berechnen:

Im stillstehenden Motor muss also mindestens eine Luftmasse von 179 mg in dem Zylinder vorhanden sein, der sich im Kompressionstakt befindet, damit die Energie aus der 1. Verbrennung für eine FQS ausreicht.

Aus dieser Forderung lässt sich mit dem idealen Gasgesetz

zusammen mit den geometrischen Gleichungen 6 ,

=0

=

Br g Verbrennun

th Q

η W ( 5-4 )

J

, = =248

th min Erstverbr, min

Erstverbr

Q W

η ^{. ( 5-5 )}

mg

1 _, 179

=

⋅

=

u min Erstverbr Mischung

st Luft,min

H L Q

m η ^{( 5-6 )}

( ) ( )

Zyl Luft

Zyl Umg

Luft R T

V m p

⋅

= ⋅ ϕ

ϕ _{( 5-7 )}

UNTERSUCHUNGEN ZUM QUICK START

5.2ABHÄNGIGKEIT DES QUICK STARTS VOM STARTWINKEL 71

der ideale Startwinkel ϕ_ideal berechnen. Mit den Parametern des untersuchten Motors ergibt sich dieser Winkel zu ϕ_ideal =59°KWvZOT bei betriebswarmem Motor (T_Zyl =T_KW =350K) und Umgebungsdruck beim Wiederstart.

Wie in Kapitel 4.1.5 beschrieben und untersucht kann der Gaszustand von die-sen Werten für Temperatur und Druck allerdings signifikant abweichen, falls die Stoppdauer sehr kurz war. Dies ist für die in Kapitel 2.1.2 beschriebene Change-of-Mind-Situation relevant, weil durch einen möglichen Überdruck im Startzylinder auch Startwinkel kleiner als 59°KWvZOT genügend Frischluft-masse für einen FQS zur Verfügung stellen. Die abnehmende Gastemperatur kurz nach dem Motorstillstand hat einen entsprechend gegenläufigen Effekt auf die Frischluftmasse im Zylinder. Wird die Zeitabhängigkeit der Größen Temperatur und Druck berücksichtigt, dann muss Gleichung ( 5-7 ) wie folgt umgeschrieben werden:

Mit den Verläufen für die Druck- und die Temperaturabnahme aus den in Kapi-tel 4.1.5 vorgesKapi-tellten Messungen ergibt sich die resultierende Funktion

( )

^t

ideal

ϕ , die in Abbildung 5-5 dargestellt ist.

Es ist zu erkennen, dass der Druckabbau die Änderung der Frischluftmasse während der ersten vier Sekunden dominiert, weshalb der absolut kleinste mögliche Winkel direkt zum Zeitpunkt des Stillstands (t=0s) möglich ist. Die-ser ergibt sich zu ϕideal

( )

^{0 =47°KWvZOT}. Gefolgt wird dieses Minimum von einem Maximum ϕideal

( )

^{4,2 =61°KWvZOT}, das ein wenig größer ist als der stationäre Wert von ϕideal

(

^{t >20}

)

^=59°KWvZOT.

( ) ( )

( ) ( )





 



 − + ⋅ − − ⋅

⋅

=

⋅ +

=

ϕ λ λ

ϕ ϕ

ϕ ϕ

2

2 sin

1 1 1

cos

1 _s

s Kolben C

Zyl

r s

s A V V

mit: V_C: Kompressionsvolumen

Kolben

A : Kolbenbodenoberfläche λs: Pleuelstangenverhältnis

( 5-8 )

( ) ( ) ( )

( )

^t

T R

V t t p

m

Zyl Luft

Zyl Zyl

Luft ⋅

= ⋅ ϕ

ϕ, ( 5-9 )

UNTERSUCHUNGEN ZUM QUICK START

Im Dokument Ganzheitliche Betrachtung zur Auswahl der Starteinrichtung des Verbrennungsmotors eines Parallel-Hybrids mit Trennkupplung (Seite 92-96)